Un equipo de físicos dirigido por David Hsieh de Caltech ha descubierto una forma inusual de materia, no un metal, aislante o imán convencional, por ejemplo, sino algo completamente diferente. Esta fase, caracterizada por un orden inusual de electrones, ofreceposibilidades para nuevas funcionalidades de dispositivos electrónicos y podrían contener la solución a un misterio de larga data en la física de la materia condensada que tiene que ver con la superconductividad a alta temperatura la capacidad de algunos materiales para conducir electricidad sin resistencia, incluso a temperaturas "altas" cercanas100 grados centígrados.
"El descubrimiento de esta fase fue completamente inesperado y no se basó en ninguna predicción teórica previa", dice Hsieh, profesor asistente de física, que anteriormente estaba en un equipo que descubrió otra forma de materia llamada aislante topológico ". TodoEl campo de los materiales electrónicos es impulsado por el descubrimiento de nuevas fases, que proporcionan los campos de juego en los que buscar nuevas propiedades físicas macroscópicas ".
Hsieh y sus colegas describen sus hallazgos en la edición de noviembre de Física de la naturaleza , y el documento ahora está disponible en línea. Liuyan Zhao, un erudito postdoctoral en el grupo de Hsieh, es el autor principal del artículo.
Los físicos hicieron el descubrimiento mientras probaban una técnica de medición basada en láser que desarrollaron recientemente para buscar lo que se llama orden multipolar. Para comprender el orden multipolar, primero considere un cristal con electrones moviéndose por todo su interior. Bajo ciertas condiciones,puede ser energéticamente favorable que estas cargas eléctricas se acumulen de forma regular y repetitiva dentro del cristal, formando lo que se llama una fase ordenada por carga. El componente básico de este tipo de orden, a saber, carga, es simplemente una cantidad escalar:es decir, se puede describir solo con un valor numérico o magnitud.
Además de la carga, los electrones también tienen un grado de libertad conocido como espín. Cuando los espines se alinean paralelos entre sí en un cristal, por ejemplo, forman un ferromagnet, el tipo de imán que podrías usar en turefrigerador y que se usa en la tira de su tarjeta de crédito. Debido a que el giro tiene una magnitud y una dirección, un vector describe una fase ordenada por giro.
Durante las últimas décadas, los físicos han desarrollado técnicas sofisticadas para buscar ambos tipos de fases. Pero, ¿qué pasa si los electrones de un material no están ordenados de esa manera? En otras palabras, ¿qué pasaría si se describiera el orden?¿no por un escalar o un vector sino por algo con más dimensionalidad, como una matriz? Esto podría suceder, por ejemplo, si el bloque de construcción de la fase ordenada fuera un par de giros opuestos, uno apuntando hacia el norte y otro hacia el sur.descrito por lo que se conoce como un cuadrupolo magnético. Tales ejemplos de fases de materia de orden multipolar son difíciles de detectar utilizando sondas experimentales tradicionales.
Resulta que la nueva fase que identificó el grupo Hsieh es precisamente este tipo de orden multipolar.
Para detectar el orden multipolar, el grupo de Hsieh utilizó un efecto llamado generación de armónicos ópticos, que es exhibido por todos los sólidos, pero generalmente es extremadamente débil. Por lo general, cuando observa un objeto iluminado por una sola frecuencia de luz, toda la luz queves que el objeto se refleja a esa frecuencia. Cuando haces brillar un puntero láser rojo en una pared, por ejemplo, tu ojo detecta luz roja. Sin embargo, para todos los materiales, hay una pequeña cantidad de luz que rebota en múltiplos enteros dela frecuencia entrante. Entonces, con el puntero láser rojo, también habrá un poco de luz azul que rebota en la pared. Simplemente no lo ves porque es un porcentaje tan pequeño de la luz total. Estos múltiplos se llaman armónicos ópticos.
El experimento del grupo Hsieh explotó el hecho de que los cambios en la simetría de un cristal afectarán la fuerza de cada armónico de manera diferente. Dado que la aparición del orden multipolar cambia la simetría del cristal de una manera muy específica, una forma que puede seren gran parte invisible para las sondas convencionales: su idea era que la respuesta armónica óptica de un cristal podría servir como una huella digital de orden multipolar.
"Encontramos que la luz reflejada en la segunda frecuencia armónica reveló un conjunto de simetrías completamente diferentes de las de la estructura cristalina conocida, mientras que este efecto estaba completamente ausente para la luz reflejada en la frecuencia fundamental", dice Hsieh. "huella digital muy clara de un tipo específico de orden multipolar "
El compuesto específico que los investigadores estudiaron fue el óxido de estroncio-iridio Sr2IrO4, un miembro de la clase de compuestos sintéticos ampliamente conocidos como iridatos. En los últimos años, ha habido mucho interés en Sr2IrO4 debido a ciertas característicasse comparte con compuestos a base de óxido de cobre, o cupratos. Los cupratos son la única familia de materiales que se sabe que exhiben superconductividad a altas temperaturas, excediendo los 100 Kelvin -173 grados Celsius. Estructuralmente, los iridos y los cupratos son muy similares.los cupratos, los iridatos son antiferromagnéticos eléctricamente aislantes que se vuelven cada vez más metálicos a medida que se añaden o eliminan electrones a través de un proceso denominado dopaje químico.a los superconductores, primero hacen la transición a través de una fase misteriosa conocida como pseudogap, donde se requiere una cantidad adicional de energía paraarranca electrones del material.Durante décadas, los científicos han debatido el origen del pseudogap y su relación con la superconductividad, ya sea un precursor necesario de la superconductividad o una fase competitiva con un conjunto distinto de propiedades de simetría.Si esa relación se entendiera mejor, los científicos creen que podría ser posible desarrollar materiales que superconduzcan a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente.
Recientemente, también se observó una fase de pseudogap en Sr2IrO4, y el grupo de Hsieh descubrió que el orden multipolar que han identificado existe en una ventana de dopaje y temperatura donde está presente el pseudogap. Los investigadores aún investigan si los dos se superponen, pero Hsieh dice que el trabajo sugiere una conexión entre el orden multipolar y los fenómenos de pseudogap.
"También hay trabajos muy recientes de otros grupos que muestran firmas de superconductividad en Sr2IrO4 de la misma variedad que la que se encuentra en los cupratos", dice. "Dada la fenomenología muy similar de los iridatos y cupratos, quizás los iridos nos ayuden a resolveralgunos de los debates de larga data sobre la relación entre el pseudogap y la superconductividad de alta temperatura ".
Hsieh dice que el hallazgo enfatiza la importancia de desarrollar nuevas herramientas para tratar de descubrir nuevos fenómenos. "Esto realmente fue posible gracias al avance simultáneo de la técnica", dice.
Además, agrega, estas órdenes multipolares podrían existir en muchos más materiales ". Sr2IrO4 es lo primero que analizamos, por lo que estas órdenes también podrían estar al acecho en otros materiales, y eso es exactamente lo que buscamos a continuación."
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de California . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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